DE19539392A1 - Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat - Google Patents
Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem SubstratInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur flußmittelfreien
Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat unter
Verwendung eines Lotmittels in einer mit einer Strahlungsheizung
ausgerüsteten, zumindest teilweise aus Quarzglas bestehenden
Vakuumkammer, die eine Gaszuleitung in das Kammerinnere, eine
Haltevorrichtung für die photonischen Komponenten und das Substrat sowie
eine Kontrolleinrichtung aufweist.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der
US-A 4 645 116 beschrieben. Mit der hieraus bekannten Vorrichtung können
Laser-Chips durch Zwischenlage einer Lotmittelfolie auf Zinnbasis auf einen als
Wärmesenke dienenden Kupferstutzen als Substrat flußmittelfrei aufgelötet
werden. Dazu wird der Laser-Chip in einer glockenförmigen Vakuumkammer
aus Quarzglas (Pyrex) entweder manuell auf das noch feste Zinnlot oder mit
einem in der Kammer angeordneten Manipulator auf das aufgeschmolzene
Zinnlot aufgelegt. Mit einer Strahlungsheizung in Form eines Lasers wird der
Kupferstutzen erwärmt und dadurch die Zinnlotfolie aufgeschmolzen. Es
entsteht eine großflächige, flußmittelfreie Lötverbindung, die eine mechanische
und elektrische Kontaktierung der beiden Einzelelemente bewirkt (Die-Bonding).
Die Temperatur des Bauteils wird an einer Referenzprobe über ein
Thermoelement kontrolliert.
Das flußmittelfreie Löten ist für die Kontaktierung eines Laser-Chips mit seinen
optischen Spiegelfacetten von grundlegender Bedeutung, da Flußmittelreste zur
Ausbildung eines Belages oder zur Degradation der optischen Flächen führen
können. Gleiches gilt für photonische Komponenten mit integrierten
Lichtwellenleitern. Bei der in der US-A 4 645 116 beschriebenen Vorrichtung
soll deshalb die Reduzierung der vorhandenen Lotoxide durch eine Evakuierung
der Vakuumkammer auf mindestens 10-5 mbar und ein anschließendes Einleiten
von molekularem Wasserstoff erreicht werden. Dabei ist für den Vorgang
entscheidend, daß das Verhältnis der Partialdrücke H₂ zu H₂O (gasförmig) für
eine Lötung bei 200°C etwa 100 : 1 sein muß. Die Konstanz dieses
Partialdruckverhältnisses ist von ausschlaggebender Bedeutung für eine
erfolgreiche Oxidreduktion. Von Kammerinnenwänden während des
Heizvorganges abdampfendes Wasser kann dieses Verhältnis jedoch über
einen so langen Zeitraum verändern, daß durch die einzubeziehende Wartezeit
bis zur Rückstellung des zur Reduktion notwendigen Partialdruckverhältnisses
jede maximal zulässige Lötzeit überschritten wird.
Aus der US-A 5 289 964 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein kleiner
Glassockel mit einem größeren Metallstempel auf einer kleinen gemeinsamen
Fläche in einer oxidreduzierenden Atmosphäre verbunden werden kann. Dazu
wird die Glasbasis fest eingespannt und der Metallstempel über eine vertikale
Absenkvorrichtung unter Zwischenlage der Lötfolie auf die Glasbasis abgesenkt.
Zum Aufschmelzen des Lots wird der gesamte Aufbau erwärmt. Eine
Reduzierung des Umgebungsdrucks erfolgt dabei nicht. Diese Vorrichtung dient
der Herstellung von Drucksensoren.
Die EP-A2 0 625 796 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von
mikroelektronischen Bauelementen, die in mehrere Kammern aufgeteilt ist. In
einer hohen zylindrischen, evakuierbaren Reinigungskammer wird der Chip auf
ein Fließband aufgelegt und ohne Aufheizen unter Inertgaszuführung durch
Sputter-Ätzen von vorhandenen Oxidschichten befreit. Dieser Vorgang kann in
situ durch einen Massenanalysierer für die losgelösten Sekundärionen
überwacht werden. Die Justage des gereinigten Chips auf dem Substrat erfolgt
in nicht weiter beschriebener Weise unter normalen Umgebungsbedingungen.
Die Lötverbindung wird dann in einem zweiten Kammeraufbau mit Vor-, Haupt-
und Abkühlkammer in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre unter Vakuum
bedingungen hergestellt. Der Transport und die Lagerung der zu verbindenden
Bauteile erfolgt durch das Fließband. Zum Aufschmelzen des Lots wird die
gesamte Hauptkammer erwärmt.
Eine ähnliche Vorrichtung für das flußmittelfreie Löten wird in der
US-A 5 409 543 beschrieben. Hierbei werden die zu verbindenden Bauelemente
ebenfalls auf ein Trägerfließband aufgelegt und in einem evakuierbaren
Kammersystem vorantransportiert. Die Aufschmelzung des Lots erfolgt unter
Arbeitsgas in einer evakuierbaren Kammer bei relativ hohen Temperaturen
durch eine oberhalb der zu verbindenden Bauelemente angeordnete Laser-
Substratheizung und einer unterhalb angeordneten Widerstandsheizung. Die
Bauelemente werden vollautomatisch plaziert, eine räumliche und zeitliche
Kontrolle erfolgt ebenfalls automatisch in nicht weiter beschriebener Weise.
Aus der EP-A2 0 352 454 schließlich ist es bekannt, Bauelemente mit
Lötverbindungen, insbesondere mit dem "Tape Automated Bonding" (TAB),
herzustellen durch Anblasen und Erhitzen der Lötstelle mit einem heißen Gas,
das Wasserstoffanteile (Formiergas) enthält und gleichzeitig oxidentfernend und
-reduzierend wirkt. Dabei werden die zu verbindenden Bauteile in nicht weiter
beschriebener Weise von Haltemitteln gehalten, die aufeinanderzubewegbar
und miteinander verbindbar sind.
Bei den beschriebenen Vorrichtungen können die Lötverfahren ohne größere
Justagevorkehrungen eingesetzt werden. Es werden keine besonders hohen
Anforderungen an die Güte der durch das Kontaktieren erzielten Justage
gestellt.
Aus der EP-A2 0 517 369 ist es dagegen bekannt, für optoelektronisch
integrierte Schaltungen (OEIC), die mit Glasfasern zu verbinden sind, als
flußmittelfreie Löttechnik in inerter Atmosphäre das sogenannte "Flip-Chip-
Bonding" (FC-Bonding) anzuwenden, das nach einer präzisen Vorjustierung (auf
30 µm genau) des Chips auf dem Substrat eine Selbstjustierung zwischen den
zu kontaktierenden Komponenten beim Lötvorgang ermöglicht. Hierbei wird der
photonische Mikrochip mit der Oberseite nach unten gedreht ("Flip-Chip") und
über ein strukturiertes Lotmittel in Form von auf dem Chip oder dem Substrat
aufgebrachten Lotmittelpunkten (Bumps) durch deren Aufschmelzen in nicht
oxidierender Atmosphäre mit dem Substrat verbunden. Die Selbstjustierung wird
bewirkt über Rückstellkräfte in den flüssigen Lotmittelpunkten ("Einschwimmen"),
die nach einer Minimierung der Oberflächenenergie streben. Neben der
mechanisch/elektrischen Verbindung durch die Lötpunkte selbst erfolgt aufgrund
einer entsprechenden Anordnung der optischen Elemente auch gleichzeitig die
optische Verbindung, die höchste Justagegenauigkeit erfordert.
In der EP-A1 0 371 693 ist eine Vorrichtung für ein derartiges FC-Bonding
offenbart, bei der die zu verbindenden Bauelemente, für deren Ausrichtung
zueinander keine weiteren Mittel beschrieben sind, auf einer höhenverstellbaren
Heizplattform als Lagerteller in einer zylindrischen Vakuumkammer aus Glas
gelagert werden. Von der Oberseite der Vakuumkammer wird atomarer
Wasserstoff zur Oxidreduktion an die Verbindungsstellen geleitet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik ist darin zu sehen, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die empfindlichen
Verfahrensparameter, die zur Erzielung einer bestmöglichen Bauteilqualität
unabdingbar sind, insbesondere das Partialdruckverhältnis, unter möglichst
geringer thermischer Belastung der Bauteilkomponenten optimal während des
Herstellungsprozesses eingehalten werden können. Dabei soll die Vorrichtung
gleichzeitig so gestaltet sein, daß die Kontaktierung durch Lötverbindungen
insbesondere nach dem Flip-Chip-Bonding-Verfahren erfolgt und die exakte
Vorjustierung der zu kontaktierenden Komponenten gewährleistet ist. Trotz der
hohen Justagegenauigkeit soll die Vorrichtung in ihrem Aufbau sowie ihrer
Funktionsweise einfach und damit kostengünstig sein.
Zur Lösung der beschriebenen Problematik ist bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten
sauf einem Substrat vorgesehen, daß die Vakuumkammer als flache Kammer mit
einem planen Boden aus einer unteren Quarzglasplatte und einem planen
Deckel aus einer entfernbaren oberen Quarzglasplatte ausgeführt ist, die
Strahlungsheizung als fokussierte Infrarot-Strahlungsheizung ausgebildet und
unterhalb der den Kammerboden bildenden unteren Quarzglasplatte angeordnet
sowie direkt auf das Substrat ausgerichtet ist, die Haltevorrichtung aus einer
außerhalb der Vakuumkammer anordenbaren oberen Justagevorrichtung zur
Halterung und Positionierung einer photonischen Komponente, insbesondere in
Form eines infrarot-transparenten Flip-Chips, und einer außerhalb der
Vakuumkammer angeordneten, die Infrarot-Strahlungsheizung nicht
behindernden unteren Justagevorrichtung für das Substrat besteht und daß die
Kontrolleinrichtung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung für die
Selbstjustierung des Flip-Chips auf dem Substrat in Form eines
Infrarotmikroskops aufweist, das oberhalb der den Kammerdeckel bildenden
Quarzglasplatte anordenbar ist.
Der flache Aufbau der Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht einen
optimalen Zugang zu den in ihrem Innern angeordneten, zu verbindenden
Bauelementen bezüglich Handhabung, Behandlung und Beobachtung. Die
planen, zumeist runden Quarzglasplatten sind einfach herstellbar. Die als Deckel
ausgebildete obere Quarzglasplatte kann zum Öffnen und Schließen der
Vakuumkammer leicht entfernt und wieder aufgelegt werden. Durch ihre Planität
ermöglicht sie einen verzerrungsfreien Einblick in das Kammerinnere und einen
optimalen, geringen Arbeitsabstand für darüber angeordnete Arbeitsmittel. Die
unkomplizierte Geometrie der Kammer ermöglicht einfache Dichtsysteme, mit
denen Vakuumdrücke bis 10-8 mbar erreichbar sind. Die Ausgestaltung des
Bodens der Kammer als ebenfalls flache, durchsichtige Quarzglasplatte
ermöglicht die darunterliegende Anordnung der fokussierten Infrarot-
Strahlungsheizung außerhalb der Vakuumkammer und deren direkte
Ausrichtung auf das zu kontaktierende Substrat. So kann ohne optische
Verzerrungen und ohne Wärmeabsorption durch den Kammerboden oder
anderer vorhandener Bauteile das Substrat direkt von unten beheizt werden. Mit
der direkten Infrarot-(IR)-Strahlungsheizung kann eine sehr hohe Heizrate im
Bereich oberhalb von 30°C/s erreicht werden. Damit erfolgt eine Erwärmung des
Lotmittels auf ca. 200°C in sehr kurzer Zeit, so daß die thermische Belastung der
zu kontaktierenden Komponenten und des Substrats gering ist. Außerdem wird
durch die Fokussierung und die gezielte Ausrichtung der Infrarot-
Strahlungsheizung auf das zu kontaktierende Substrat nur eine äußerst partielle
Erwärmung in der Vakuumkammer bewirkt, wodurch die Bildung von
Wasserdampf durch Wasser, das zwangsläufig auf den Kammerinnenwänden
adsorbiert ist, sicher vermieden ist. Eine Verschiebung des
Partialdruckverhältnisses von H₂ zu H₂O (gasförmig), deren Ausgleich erst
wieder abgewartet werden müßte, ist sicher vermieden. Damit verringert sich die
thermische Belastung für die zu verbindenen Bauteile zeitlich auf die minimal
erforderliche Aufschmelzzeit für das Lotmittel und die Zeit für die
Selbstjustierung. Die Oxidreduktion selbst kann bereits im festen
Lotmittelzustand erfolgen.
An dieser Stelle kann bereits eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
erwähnt werden, nach der oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen
Quarzglasplatte eine fokussierte Zusatz-Infrarot-Strahlungsquelle angeordnet
und direkt auf den Flip-Chip ausgerichtet ist. Dadurch wird nunmehr auch der
Flip-Chip direkt erwärmt, so daß die thermische Belastung der zu
kontaktierenden photonischen Komponenten zeitlich optimierbar ist. Durch die
plane Ausgestaltung der oberen Quarzglasplatte ist die Anordnung der Zusatz-
Infrarot-Strahlungsquelle problemlos möglich. Besonders bei größeren oder
kompakteren Bauelementen ist das Vorsehen der Zusatz-Infrarot-
Strahlungsquelle von Nutzen.
Der erfindungsgemäße zweiteilige Aufbau der Haltevorrichtung in Form von zwei
außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Justagevorrichtungen ermöglicht
eine genaue Vorjustage der Kontaktierungspartner zueinander mit einer
Lagetoleranz kleiner 5 µm. Durch die Anordnung ist die Vakuumkammer in ihren
Abmessungen, speziell in ihrer besonders flachen Ausbildung, nicht von der
Größe der beiden Justagevorrichtungen und deren zugehörigen
Versorgungssystemen abhängig. Dabei ist die obere Justagevorrichtung so
aufgebaut, daß sie leicht einen Chip halten kann, der in umgedrehter Form als
"Flip-Chip" zu kontaktieren ist. Die Anordnung der unteren Justagevorrichtung
ermöglicht Lageanpassungen des Substrats zusammen mit der unteren
Quarzglasplatte, ohne die IR-Strahlungsheizung in ihrer direkten Ausrichtung auf
das zu erwärmende Substrat zu behindern. Sie kann dazu ringförmig
ausgebildet sein oder auch aus einem infrarot-transparenten Material bestehen.
Zur Lagerung der Quarzglasplatte kann sie dann eine plane Auflagefläche
aufweisen. Nach Beendigung der Vorjustage und nach dem entsprechenden
Auflegen des Chips auf das Substrat kann die obere Justageeinrichtung so weit
von dem oberen Quarzglasdeckel entfernt werden, daß ein ungehinderter
Einblick in das geschlossene Kammerinnere von oben her möglich ist.
Neben einer an sich bekannten Temperatur-Kontrolleinrichtung ist bei der
Erfindung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung vorgesehen. So kann während
des Lötvorganges die Ausrichtung der beiden Bauelemente zueinander
kontrolliert werden. Dabei wird mit dem Infrarot-Mikroskop durch den infrarot
transparenten Chip hindurch die relative Lage der Bauelemente zueinander
beurteilt. Bei Erreichen der optimalen Positionierung kann der Lötvorgang
beendet werden, so daß bauelementabhängig die optimale Bonddauer erreicht
wird. Die bei einer vorgegebenen Montagetoleranz zur Reduktion der Oxide
erforderliche Heizphase kann so kurz wie möglich gehalten werden. Die
minimale thermische Belastung beim Bonden und die damit auch verbundene
Zeiteinsparung ermöglichen eine optimale Prozeßführung mit einer gesteigerten
Produktion und einer gleichzeitigen Qualitätskontrolle. Kontrolle und Auswertung
können dabei automatisch erfolgen. Das ist insbesondere dann sinnvoll, wenn
die obere Justagevorrichtung nach einer Erfindungsausgestaltung ein
Mustererkennungssystem enthält.
Die Bewegungen der beiden Justagevorrichtungen können besonders einfach
erfolgen, wenn nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die obere
Justagevorrichtung eine dreh- und längsverschiebbare Vakuumansaugung und
die untere Justagevorrichtung eine dreh- und längsverschiebbare Lagerung
aufweist. Die Vakuumansaugung stellt eine besonders bauteilschonende,
einfache Haltevorrichtung für den empfindlichen Mikrochip dar, zumal ein
Vakuumpumpsystem für die zu evakuierende Vakuumkammer bereits
vorhanden ist. Die Ausrichtung des Mikrochips erfolgt durch Autokollimation, d. h.
durch eine parallelisierende Ausrichtung gegenüber dem Substrat durch
Austaumeln, d. h. Drehen des Chips um seine beiden in der Oberfläche
orthogonal zueinander liegenden Hauptachsen. Die Absenkung des Chips
erfolgt über die senkrecht zu den beiden Achsen liegende sogenannte
Bondachse. Die Ausrichtung der zu verbindenden Bauteile bezüglich der durch
die Hauptachsen aufgespannten Hauptebene wird durch eine Drehung und
Verschiebung der Lagerung, auf die direkt die den Boden bildende untere
Quarzglasplatte mit dem aufgelegten Substrat aufgelegt ist, bezüglich der
Bondachse bewirkt.
Eine andere Erfindungsausgestaltung sieht vor, daß die Wand der Vakuum
kammer aus einem Metallring besteht, durch den sternförmig die Anschlüsse für
die Evakuierungspumpe, die Gaszuleitung und die Temperatur-
Kontrolleinrichtung hindurchgeführt sind. Bei einem derartigen "Bonderstern"
sind alle erforderlichen Anschlüsse übersichtlich und leicht zugänglich in einer
Ebene angeordnet. Dadurch wird die Handhabung des Bondersterns und seine
Einbaumöglichkeiten in die gesamte Versorgungsanlage wesentlich erleichtert.
Auch behindert diese Art der Anschlußzuführung nicht den freien Zugang zu der
oberen und der unteren Quarzglasplatte der Kammer. Eine Ausgestaltung der
Wandung in Form eines Metallringes ist möglich, weil das hieran zwangsläufig
adsorbierte Wasser nicht ausdampfen kann, da die Wandung während der
Heizphase durch die fokussierte IR-Strahlung nur in einem unkritischen Bereich
erwärmt wird. Die Konstruktion eines Metallrings ist einfach und ermöglicht
sichere Anschluß- und Dichtungsausführungen, gleichzeitig gibt sie der
Vakuumkammer die erforderliche mechanische Stabilität. Andere Anordnungen
der einzelnen Zuleitungen, beispielsweise durch eine Anordnung der
Hochvakuumpumpe direkt unter der Vorrichtung, sind jedoch auch möglich.
Gemäß einer Erfindungsfortführung kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der
Vakuumkammer eine Vorvakuumkammer vorgeschaltet ist, von der aus die zu
kontaktierenden Einzelelemente automatisch in die Vakuumkammer
einschleusbar sind. Ein derartiger Aufbau aus mehreren Kammern ist zwar aus
dem genannten Stand der Technik für die Herstellung von mikroelektronischen
Bauelementen bereits bekannt, bekommt aber gerade im Zusammenhang mit
der oben beschriebenen Möglichkeit der Automatisierung bei der in-situ-
Justage-Kontrolleinrichtung für die Erfindung eine besondere Bedeutung. Durch
die Senkung der Evakuierungszeit auf wenige Minuten kann damit die Standzeit
wesentlich verringert werden, was sich positiv für die Bauelementbehandlung
und zugleich kostengünstig auswirkt. Dieser Vorteil wird noch verstärkt, wenn
nach einer weiteren Ausgestaltung die gesamte Vorrichtung automatisch
steuerbar ist. Eine selbständig arbeitende Vorrichtung mit automatisch
gesteuerter Vorjustage und Verfahrensabläufen sowie in-situ-Kontrolle der
Kontaktierung ermöglicht eine besonders rationelle, aber qualitativ hochwertige
Herstellung von optoelektronischen Hybrid-Bauelementen in hohen Stückzahlen.
Das zuvor Ausgeführte hat dann eine ganz besondere Bedeutung, wenn es sich
bei der zu kontaktierenden photonischen Komponente um einen infrarot
transparenten Flip-Chip mit integrierten Lichtwellenleitern und bei dem Substrat
um eines mit eingeätzten V-Nuten, in die Glasfasern eingelegt werden können,
handelt. Derartige hybridartig aufgebaute Bauelemente sind mechanisch,
elektrisch und optisch äußerst empfindlich, so daß aus den bereits genannten
Gründen in besonderem Maß ein flußmittelfreies Lötverfahren für die
Kontaktierung eingesetzt werden muß. Außerdem können derartige
Bauelemente, insbesondere wenn diese mehrere Faserein- und -ausgänge
aufweisen, besonders vorteilhaft mit dem FC-Bonding-Verfahren hergestellt
werden, da es sich hierbei um ein Simultanverfahren handelt, bei dem die
mechanisch/elektrische und die optische Kontaktierung gleichzeitig herstellbar
sind. Gleiches gilt auch, wenn es sich bei der zu kontaktierenden photonischen
Komponente um einen Flächenstrahler mit geätzten Spiegeln zur
Lichtübertragung zwischen den Konatktierungspartnern handelt. Für derartige
Bauelemente eignet sich für die Kontaktierung die erfindungsgemäße
Vorrichtung, wie bereits an mehreren Stellen ausgeführt, in ganz besonderem
Maße, so daß sich die hiermit hergestellten optoelektronischen Bauelemente
durch eine hervorragende Herstellungsqualität und -genauigkeit bei einer
günstigen Leistungs-Kosten-Relation auszeichnen.
Unterstützt wird die Kostengünstigkeit noch, wenn die Lötpunkte aus einer Zinn-
Legierung bestehen, beispielsweise Blei-Zinn, Indium-Zinn oder Gold-Zinn.
Derartige Legierungen weisen einen günstigen, relativ niedrigen Schmelzpunkt
zwischen ca. 200 und 300°C auf. Außerdem kann auch hierfür - wie in der
bereits erwähnten US-A 4 645 116 ausgeführt - eine Oxidreduktion bei
Zuführung von molekularem Wasserstoff schon bereits bei einer
Schmelztemperatur von ca. 200°C und einer Bondingzeit im Bereich unterhalb
von 2 min erreicht werden. Dabei wirkt es sich unterstützend aus, wenn die den
Lötpunkten zugeordneten Metallisierungsflächen aus Platin bestehen, da durch
eine geringe Diffusion von Platin in das aufgeschmolzene Zinn-Legierungs-Lot
die elektrischen und mechanischen Kontaktierungseigenschaften der
Verbindungsstellen erhalten bleiben.
Vorteilhafte Auswirkungen hat es schließlich auch, wenn der optoelektronische
Chip und das Substrat eine identische Noniusstruktur aufweisen. Diese
ermöglicht in einfacher Weise eine visuelle, aber auch eine automatische
Erkennung der Justagegenauigkeit beim Lötvorgang bei beidseitig polierten
Bauelementen mittels des bereits erwähnten Infrarotmikroskops bzw. einer
Infrarotkamera bis auf 0,2 µm. Eine derartige Genauigkeit erfüllt bei einer
Lötverbindungsdicke im Bereich von 15 bis 30 µm und einem Faserdurchmesser
von 125 µm mit einem Kerndurchmesser von 9 µm für die Lichtwellenleiter
vollständig alle Anforderungen. Vereinfachend kann eine solche Noniusstruktur
zusammen mit der Metallisierung für die Lotmittelpunkte und ihre Kontaktstellen
mit der gleichen Metallisierungsmaske aufgebracht sein.
Im folgenden soll anhand von Erläuterungen zu der Figur die Erfindung in ihrem
wesentlichen Charakter noch näher veranschaulicht werden. Die Figur zeigt
dazu schematisch einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dargestellt ist die Vorrichtung im Zustand
der stattfindenen Kontaktierung einer photonischen Komponente auf ein
Substrat. Dabei ist der besseren Erkennbarkeit halber das optoelektronische
Bauelement stark vergrößert dargestellt.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur flußmittelfreien Kontaktierung von
photonischen Komponenten auf einem Substrat mit einer runden, flachen
Vakuumkammer 2, die einen flachen Boden aus einer unteren, runden
Quarzglasplatte 3 und einen flachen Deckel aus einer oberen, runden
Quarzglasplatte 4 aufweist. Unterhalb der unteren Quarzglasplatte 3 ist eine
Strahlungsheizung in Form einer Infrarot-Stahlungsheizung 5 mit einer Leistung
von ca. 150 W angeordnet, die direkt auf ein Substrat 6 ausgerichtet ist (Pfeile).
Weiterhin liegt die untere Quarzglasplatte 3, die eine plane Auflagefläche für das
Substrat 6 bildet, in einer unteren Justagevorrichtung 7 als Teil einer nicht weiter
dargestellten ringförmigen Haltevorrichtung, die in der Figur durch zwei
ringförmig miteinander verbundene Auflager 8, 9 angedeutet ist. Die
Bewegungsmöglichkeiten der unteren Justagevorrichtung 7 werden durch das
gezeigte untere Achsenkreuz verdeutlicht. Längsbewegungen entlang der
Hauptachsen und eine Drehbewegung zu der senkrechten Achse - Bondachse -
sind möglich. Durch ihre ringförmige Ausgestaltung behindert die untere
Justagevorrichtung 7 den Strahlengang der IR-Strahlungsheizung 5 nicht. Auf
die untere Quarzglasplatte 3 ist über einen unteren Dichtring 10 druckdicht ein
flacher Metallring 11 aufgelegt. Dieser trägt, unter Vakuum ebenfalls druckdicht
durch die Anordnung eines oberen Dichtringes 12, die als Deckel fungierende
obere Quarzglasplatte 4. Diese ist auf den Metallring 11 aufgelegt, so daß sie
einfach abnehmbar ist. Die untere Quarzglasplatte 3 wird durch lösbare
Spannverschraubungen 13,14 (in der Figur nur angedeutet), die durch
Auskragungen am Metallring 11 hindurchgreifen, druckdicht an diesen
angedrückt. Durch den Metallring 11 sind sternförmig ein Vakuumanschluß 15,
der zu einem nicht weiter dargestellten Pumpsystem führt, eine Gaszuführung
16 von einer nicht weiter dargestellten Gasversorgung mit reinem, molekularem
Wasserstoff oder Stickstoff und eine Zuleitung für ein Thermoelement 17 als Teil
einer nicht weiter dargestellten Kontrolleinrichtung hindurchgeführt. Das
Thermoelement befindet sich auf einem Referenzsubstrat, das hinter dem
Substrat 6 in der Vakuumkammer 2 liegt und in der Figur ebenfalls nicht weiter
dargestellt ist. Durch die sternförmige Zuführungsart kann die Vorrichtung 1
auch als "Bonderstern" bezeichnet werden.
Auf das Substrat 6 ist ein optoelektronischer, infrarot-transparenter Hybridchip
aufgelegt, der zusammen mit dem Substrat 6 ein Hybrid-Modul 19 bildet. Im
gezeigten Beispiel ist der Hybridchip als Flip-Chip 18, d. h. in umgedrehter Form
mit der Oberseite nach unten auf das Substrat 6 aufgelegt. Er weist an seiner
Oberfläche Lichtwellenleiter 20 auf, die zur Ankopplung mit Glasfasern 21 mit
einem Faserkern 22 gelangen sollen, die in eingeätzte V-Nuten 23 im Substrat 6
eingelegt bzw. einlegbar sind. Die mechanische/elektrische Verbindung
zwischen dem Flip-Chip 18 und dem Substrat 6 erfolgt nach dem Verfahren des
"Flip-Chip-Bonding" über außerhalb der optischen Elemente aufgebrachte
Lotmittelpunkte 24 aus einer Blei-Zinn-Legierung als Lotmittel auf dem Substrat
6. Zugeordnete Metallisierungsflächen 25 (auch unterhalb der Lotmittelpunkte
24) auf dem Flip-Chip 18 sind aus Platin.
Oberhalb der oberen Quarzglasplatte 4 ist als weiterer Teil der Haltevorrichtung
eine obere Justagevorrichtung 26 dargestellt, die im gezeigten Zustand der
Vorrichtung 1 (Bonderstern) von dieser weggefahren ist. Die obere
Justagevorrichtung 26 weist eine Vakuumansaugung 27 auf und ist dreh- und
längsverschiebbar. Ihre Bewegungsmöglichkeiten sind durch das obere
Achsenkreuz angedeutet. Es sind Drehbewegungen um die beiden
Hauptachsen möglich, so daß der Flip-Chip 18 im angesaugten Zustand (nicht
dargestellt) durch Autokollimation, d. h. Drehung um die beiden Achsen, zu dem
Substrat 6 parallelisiert werden kann. Weiterhin ist eine Bewegung längs der
Bondachse zum Absenken des Flip-Chips 18 auf das Substrat 6 möglich. Dieses
kann über die untere Justagevorrichtung 7 in der Hauptebene längsverschoben
und um die Bondachse gedreht werden. Mittig über der Vorrichtung 1
(Bonderstern), oberhalb der oberen Quarzglasplatte 4 ist als weiterer Teil der
Kontrolleinrichtung eine höhenverstellbare in-situ-Justagekontrolleinrichtung in
Form eines Infrarotmikroskops 28 (oder auch Infrarotkamera) angeordnet
dargestellt. Auch das Infrarotmikroskop 28 ist aus der unmittelbaren Nähe der
Vorrichtung 1 (Bonderstern) entfernbar. Auf dem Flip-Chip 18 befindet sich wie
auf dem Substrat 6 eine identische Noniusstruktur, die sich durch die
Übereinanderlagerung des Flip-Chips 18 mit dem Substrat 6 zu einem geteilten
Balken zusammenfügt. Dessen innere Überlappung kann während des
Lötvorganges mit dem Infrarotmikroskop 28 durch den infrarot-transparenten
Flip-Chip 18 hindurch beobachtet werden. Bei Erreichen der erforderlichen
Justagegenauigkeit kann der Vorgang beendet werden. Ebenfalls oberhalb der
oberen Quarzglasplatte 4 ist eine Zusatz-Infrarot-Strahlungsheizung 29
angedeutet, die direkt auf den Flip-Chip 18 ausgerichtet ist, so daß dieser
besonders schnell erwärmt werden kann.
Abschließend soll kurz der mit der Vorrichtung 1 (Bonderstern) vornehmbare
Verfahrensablauf zur Herstellung des optoelektronischen Hybridmoduls 19
erläutert werden. Vor Beginn wird das Innere der Vakuumkammer 2 über die
Gaszuführung 16 mit Stickstoff gereinigt. Der Flip-Chip 18 (im beschriebenen
Beispiel ein Chip pro Substrat) wird dann in umgedrehter Form über die
Vakuumansaugung 27 der oberen Justagevorrichtung 26 angesaugt, über das
auf die untere Quarzglasplatte 3 zuvor aufgelegte Substrat 6 gefahren und zum
Substrat 6 autokollimiert. Danach werden die Teile durch Ausrichtung des
Substrats 6 über die untere Justageeinrichtung 7 in der Hauptebene zueinander
ausgerichtet. Dann werden sie zueinander justiert, so daß die
Metallisierungsflächen 25 mit den Lötpunkten 24 eine Mindestüberdeckung von
50% aufweisen. Anschließend wird durch Herabfahren der oberen
Justagevorrichtung 26 der Flip-Chip 18 auf dem Substrat 6 abgelegt. Die obere
Justagevorrichtung 26 wird wieder in ihre Ausgangsstellung gebracht, die
Vorrichtung 1 (Bonderstern) durch Auflegen der oberen Quarzglasplatte 4
verschlossen und über den Vakuumanschluß 15 in einer Zeitspanne von ca. 10
min bis auf einen Druck von 10-6 bar evakuiert. Danach wird über die
Gaszuführung 16 reiner molekularer Wasserstoff zur Oxidreduktion vor und
während des Lötvorganges in das Kammerinnere eingeleitet. Die Oxidreduktion
kann in der Hauptsache ohne Erwärmung bereits vor dem eigentlichen
Lötvorgang erfolgen. Der eingestellte Innendruck bleibt auch während des
nachfolgenden Hochheizens mit der IR-Strahlungsheizung 5 absolut konstant,
da die Innenwände der Kammer nicht miterwärmt werden, so daß es nicht zu
einer Erhöhung des Partialdruckes H₂O (gasförmig) durch von den
Kammerinnenwänden desorbiertem Wasser kommen kann. Der konstant
niedrige Innendruck ist für eine ausreichende Oxidreduktion und -verhinderung
von ausschlaggebender Bedeutung. Das Hochheizen auf eine Endtemperatur
von ca. 200°C erfolgt sehr schnell mit einer Heizrate größer als 20°C/s. Die
Kontrolle erfolgt über das Thermoelement. Die Verbindung von Flip-Chip 18 und
Substrat 6 wird in-situ über die Noniusstellung durch das Infrarotmikroskop 28
durch den infrarot-transparenten Flip-Chip 18 hindurch beobachtet, so daß bei
Erreichen der erforderlichen Justagegenauigkeit die Heizphase beendet werden
kann. Nach erfolgter Selbstausrichtung kühlen unter zunächst weiterer
Wasserstoffzufuhr die Verbindungsstellen ab. Nach der Erstarrung der
Lötverbindungen wird die Vorrichtung 1 (Bonderstern) mit Stickstoff belüftet und
das hergestellte optolektronische Hybridmodul 19 entnommen.
Alle beschriebenen Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens können
automatisiert und von einem Computer gesteuert werden. Zusammen mit den
bereits beschriebenen baulichen Automatisierungsmaßnahmen kann damit eine
Vorrichtung zur Herstellung elektronischer, insbesondere optoelektronischer
Bauelemente bereitgestellt werden, die äußerst kostengünstig und schnell
hochpräzise hergestellte Bauelemente in größeren Stückzahlen liefert.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Vakuumkammer
3 untere Quarzglasplatte
4 obere Quarzglasplatte
5 IR-Strahlungsheizung
6 Substrat
7 untere Justagevorrichtung
8 linkes Auflager
9 rechtes Auflager
10 unterer Dichtring
11 Metallring
12 oberer Dichtring
13 linke Spannverschraubung
14 rechte Spannverschraubung
15 Vakuumanschluß
16 Gaszuführung
17 Zuleitung für ein Thermoelement
18 Flip-Chip
19 Hybridmodul
20 Lichtwellenleiter
21 Glasfaser
22 Faserkern
23 V-Nut
24 Lotmittelpunkt
25 Metallisierungsfläche
26 obere Justagevorrichtung
27 Vakuumansaugung
28 Infrarotmikroskop
29 Zusatz-Infrarot-Strahlungsheizung
2 Vakuumkammer
3 untere Quarzglasplatte
4 obere Quarzglasplatte
5 IR-Strahlungsheizung
6 Substrat
7 untere Justagevorrichtung
8 linkes Auflager
9 rechtes Auflager
10 unterer Dichtring
11 Metallring
12 oberer Dichtring
13 linke Spannverschraubung
14 rechte Spannverschraubung
15 Vakuumanschluß
16 Gaszuführung
17 Zuleitung für ein Thermoelement
18 Flip-Chip
19 Hybridmodul
20 Lichtwellenleiter
21 Glasfaser
22 Faserkern
23 V-Nut
24 Lotmittelpunkt
25 Metallisierungsfläche
26 obere Justagevorrichtung
27 Vakuumansaugung
28 Infrarotmikroskop
29 Zusatz-Infrarot-Strahlungsheizung
Claims (7)
1. Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen
Komponenten auf einem Substrat unter Verwendung eines Lotmittels in einer
mit einer Strahlungsheizung ausgerüsteten, zumindest teilweise aus Quarzglas
bestehenden Vakuumkammer, die eine Gaszuleitung in das Kammerinnere,
eine Haltevorrichtung für die photonischen Komponenten und das Substrat
sowie eine Kontrolleinrichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Vakuumkammer (2) als flache Kammer mit einem planen Boden aus einer unteren Quarzglasplatte (3) und einem planen Deckel aus einer entfernbaren oberen Quarzglasplatte (4) ausgeführt ist,
- - die Strahlungsheizung als fokussierte Infrarot-Strahlungsheizung (5) ausgebildet und unterhalb der den Kammerboden bildenden unteren Quarzglasplatte (3) angeordnet sowie direkt auf das Substrat (6) ausgerichtet ist,
- - die Haltevorrichtung aus einer außerhalb der Vakuumkammer (2) anordenbaren oberen Justagevorrichtung (26) zur Halterung und Positionierung einer photonischen Komponente, insbesondere in Form eines infrarot-transparenten Flip-Chips (18), und einer außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordneten, die Infrarot-Strahlungsheizung (5) nicht behindernden unteren Justagevorrichtung (7) für das Substrat (6) besteht und daß
- - die Kontrolleinrichtung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung für die Selbstjustierung des Flip-Chips (18) auf dem Substrat (6) in Form eines Infrarotmikroskops (28) aufweist, das oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen Quarzglasplatte (4) anordenbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen Quarzglasplatte (4) eine
fokussierte Zusatz-Infrarot-Strahlungsquelle (29) angeordnet und direkt auf den
Flip-Chip (18) ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die obere Justagevorrichtung (26) ein Mustererkennungssystem enthält.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß die obere Justagevorrichtung (26) eine dreh- und längsverschiebbare
Vakuumansaugung (27) und die untere Justagevorrichtung (7) eine dreh- und
längsverschiebbare Lagerung (8, 9) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wand der Vakuumkammer (2) aus einem Metallring (11) besteht, durch den
sternförmig der Vakuumanschluß (15) , die Gaszuführung (16) und die Zuleitung
für ein Thermoelement (17) hindurchgeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Vakuumkammer (2) eine Vorvakuumkammer vorgeschaltet ist, von der aus
die zu kontaktierenden Einzelelemente automatisch in die Vakuumkammer (2)
einschleusbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie automatisch steuerbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19539392A DE19539392A1 (de) | 1995-10-10 | 1995-10-10 | Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19539392A DE19539392A1 (de) | 1995-10-10 | 1995-10-10 | Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19539392A1 true DE19539392A1 (de) | 1997-04-17 |
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ID=7775527
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19539392A Withdrawn DE19539392A1 (de) | 1995-10-10 | 1995-10-10 | Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat |
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